Czasorozdzielcza N-wymiarowa spektroskopia dla monitorowania procesów fizycznych i chemicznych

W 1872 roku w USA dwóch dżentelmenów, Leland Stranford i Frederick MaxCrellish założyło się o 25 tys. dolarów o to, czy koń w galopie choć na moment odrywa od ziemi wszystkie cztery kopyta. Rozwiązanie dostarczył fotograf Eadweard Muybridge który wykonał serię zdjęć za pomocą szeregu aparatów ustawionych wzdłuż toru wyścigowego i uruchamianych za pośrednictwem sznurka przez zrywającego go kopytem konia. Jednoznacznie potwierdziły one, że moment zawieszenia w powietrzu w istocie następuje.

Muybridge dokonał za pomocą prostej modyfikacji przemiany klasycznej fotografii w metodę czasorozdzielczą, a więc dającą obraz przebiegu czasowego procesu. Naukowcy pracujący w naukach przyrodniczych znają wiele doskonałych technik pomiarowych, które jednak powolnością działania przypominają pierwsze aparaty fotograficzne. Przykładem może być wielowymiarowa spektroskopia NMR, będąca podstawowym narzędziem umożliwiającym wyznaczanie struktur cząsteczek z dokładnościa do położeń poszczególnych atomów. Matematyczne ograniczenia klasycznej teorii próbkowania sygnałów sprawiają, że eksperymenty NMR muszą być prowadzone przez wiele godzin lub nawet dni, aby osiągnąć dające się interpretować wyniki. Jednakże prosta modyfikacja sposobu użycia spektrometru NMR umożliwa posłużenie się nim w czasorozdzielczych pomiarach wymagających szybkich powtórzeń eksperymentu, podobnie jak to było w przypadku sprytnego użycia aparatu fotograficznego przez Muybridge’a.

Głównym założeniem metody szybkiej spektroskopii NMR jest ominięcie pewnych punktów pomiarowych sygnału, a następnie matematyczne zrekonstruowanie ich przy założeniu, że widmo NMR jest obiektem kompresowalnym. W przypadku widm próbek ciekłych założenie to jest zazwyczaj prawdą – informację zawartą w jednym widmie można skompresować setki razy. Wykorzystując ten fakt na etapie pomiaru można przyspieszyć go wielokrotnie i użyć go jako „klatki filmu” w pomiarze czasorozdzielczym. Wciąż jednak, taki pomiar może trwać zbyt długo w porównaniu z skalą czasową badanego zjawiska. Dopiero zastosowanie techniki czasorozdzielczego próbkowania niejednorodnego, będącego podstawą tego projektu, pozwala zwiększyć rozdzielczość czasową do kilku sekund.

Czasorozdzielcze próbkowanie opiera się na podziale zestawu próbek sygnału w dziedzinie czasu na zazębiające się podgrupy i rekonstrukcji widma z każdego z nich. W ten sposób z np. tysiąca punktów pomiarowych można otrzymać setki widm będących klatkami filmu obrazującego przemiany w próbce. Celem niniejszego projektu będzie rozwój znajdującej się obecnie w powijakach metody przez stworzenie narzędzi przetwarzania sygnału, wizualizacji widma i jego analizy online, tj. w trakcie trwania badanego procesu. Ponadto, metoda zostanie rozszerzona na przenośne aparaty NMR, których użycie jest możliwe blisko miejsca prowadzonych reakcji – w laboratorium lub na linii produkcyjnej.